📚链路层概述

🐇链路层提供的服务

🐇链路层在何处实现

📚差错检测和纠正技术

🐇奇偶校验

🐇检验和方法

🐇循环冗余检测⭐️

📚多路访问链路和协议

🐇信道划分协议

🐇随机接入协议

🐇轮流协议

📚交换局域网

🐇链路层寻址和ARP

🥕MAC地址

🥕 地址解析协议ARP（即插即用的）

🥕发送数据报到子网以外

🐇以太网

🥕以太网帧结构

🥕以太网技术

🐇链路层交换机

🥕交换机转发和过滤

🥕自学习

🥕链路层交换机的性质

🥕交换机和路由器比较

📚数据中心网络

📚链路层概述

运行链路层协议的任何设备均称为节点，节点包括主机、路由器、交换机和Wifi接入点。
沿着通信路径连接相邻节点的通信信道称为链路。为了将一个数据报从源主机传输到目的主机，数据报必须通过沿端到端路径上的各段链路传输。
在通过特定链路时，传输节点将数据报封装在链路层帧中，将该帧传入链路。
举例：游客想从A地到B地玩，旅行社安排的线路是：第一段线路是从A地乘火车到X地，第二段线路是在X地坐飞机到Y地，第三段线路是从Y地坐大巴到B地

类比表格
游客	数据报
每个运输段	一条链路
每种运输方式	一种链路层协议
旅行社	一个路由选择协议

🐇链路层提供的服务

尽管任一链路层的基本服务都是将数据报通过单一通信链路从一个节点移动到相邻节点，但所提供的服务细节能够随着链路层协议的不同而变化（即不同协议的细节不同）。链路层协议能够提供的可能服务包括：

成帧
- 在每个网络层数据报经链路传送前，几乎所有的链路层协议要将其用链路层帧封装起来。
- 一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成，其中网络层数据报就插在数据字段中。
- 帧的结构由链路层协议规定。
链路接入 ：媒体访问控制(MAC)协议规定帧在链路上传输的规则，协调多个节点的帧传输。
可靠交付
- 但链路层协议提供可靠交付服务时，它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。
- 与运输层可靠交付服务类似，链路层的可靠交付服务通常是通过确认和重传取得的。
- 链路层可靠交付服务通常用于易于产生高差错率的链路，如无线链路，其目的是本地纠正一个差错，而不是通过运输层或应用层协议迫使进行端到端的数据重传。
- 而像同轴电缆、光纤、双绞线等低比特差错的链路，可靠交付可能会被认为是一种不必要的开销。由于这个原因，许多有线的链路层协议不提供可靠交付服务。
差错检测和纠正（硬件） ：奇偶校验，检验和，循环冗余检测。（后文详谈）

🐇链路层在何处实现

路由器中：在线路卡中实现。
端主机中：网络适配器（网络接口卡，网卡），位于其核心的是链路层控制器，一个实现了许多链路层服务（成帧、链路介入、差错检测）的专用芯片。
- 之前是物理分离的卡，现在网卡直接焊在了主板上。
- 大部分链路层是在硬件中实现的，但部分链路层是在运行于主机CPU上的软件中实现的，软件实现了高级功能，如组装链路层寻址信息和激活控制器硬件，响应控制器中断。
- 链路层是硬件和软件的结合体，即此处是协议栈中软件和硬件交接的地方。

📚差错检测和纠正技术

比特级差错检测与纠正：即对从一个节点发送到另一个物理上连接的邻近节点的链路层帧中的比特损伤进行检测与纠正，它们通常是链路层提供的两种服务。
为了保护比特免受差错，使用差错检测和纠正比特（EDC）来增强数据D。通常，要保护的数据不仅包括从网络层传递下来需要通过链路传输的数据报，而且包括链路帧首部中的链路级的寻址信息、序号和其它字段。
即使采用差错检验比特，也还是可能有未检出比特差错。

🐇奇偶校验

单个比特的奇偶校验是指在要发送的数据最后附加一个奇偶校验位。
奇校验的意思就是整个编码中的1的个数要是奇数，偶校验就是1的个数是偶数，显然如果有偶数个比特发生错误，那么奇偶校验就检测不出来了。
二维奇偶校验：当出现单个比特差错时，发生错误的行和列都会出现差错。接收方不仅可以检测差错，还可以根据行列索引来纠正它。（如下图）
- 二维奇偶校验也可以检测(但不能纠正)两个比特错误的任何组合。
- 如果在同一行两个比特错误，则那一行的奇偶校验正确，但是会有两列的奇偶校验失败。如果不同行，则会有四列出错。这两种情况都无法纠错，只能检测。
- 但是还是有一些偶数个错误的情况是二维奇偶校验无法检测的。

接收方检测和纠错的能力被称为前向纠错（FEC）。

🐇检验和方法

在校验和方法中，数据被切成k比特的序列，这些序列全部相加之后取反码就是校验和。
接收方收到数据之后，把所有数据加起来(包括校验和)。用结果是否全为1来作为判断数据是否出错的标准。
和CRC相比，校验和提供较弱的保护。
为什么传输层使用校验和而链路层使用CRC呢?
- 传输层使用软件实现，采用简单快速的方案是必须的(校验和) 。
- 链路层的CRC用硬件实现，能够快速执行CRC操作。

🐇循环冗余检测⭐️

CRC编码也称为多项式编码,因为该编码能够将要发送的比特串看成系数是0或1的一个比特串,对比特串的操作被解释为多项式算数。
编码步骤如下 :
- 发送方和接收方实现协商一个r + 1的比特模式(比特串)G，叫做生成多项式，要求G的最高位是1。
- 对于一个给定的数据段D，发送方选择r个附加比特R，并将它们附加到D上。
- 使得得到的d + r比特模式用模2算数恰好能被G整除。(模2算数就是异或)
接收方的解码步骤：
- 用G去除收到的d + r比特，如果余数非0，接收方知道出了差错。
- 否则认为数据被正确接收。
怎么计算R：
- 要使得R对于n有：

$D\cdot 2^r XOR R=nG$

关于上述编码解码计算过程，补充哔哩哔哩讲解视频：五分钟CRC循环冗余检测

📚多路访问链路和协议

有两种类型的网络链路：

点对点链路 ：由链路一端的单个发送方和链路另一端的单个接收方组成。许多链路层协议都是为点对点链路设计的，如点对点协议PPP和高级数据链路控制协议HDLC。
广播链路：让多个发送和接收节点都连接到相同的、单一的、共享的广播信道上，当任何一个节点传输一个帧时，信道广播该帧，其他节点都收到一个副本，如以太网和无线局域网。

多路访问问题：

如何协调多个发送和接收结点对一个共享广播信道的访问？
所有节点都能传输帧，多个节点可能会同时传输帧，所有节点同时接到多个帧，传输的帧在所有接收方出碰撞了，发生碰撞时，所有帧丢失。

多路访问协议：

节点通过协议规范它们在共享的广播信道上的传输行为。
我们将任何多路访问协议划分为3种类型之一：信道划分协议，随机接入协议，轮流协议。

协议希望有的特性：

理想情况下对速率R bps的广播信道，仅有一个节点发送数据，节点具有R bps的吞吐量。
M个节点发送数据时，每个节点平均吞吐量R/M bps。
协议分散，不会因为主节点故障使整个系统崩溃。
协议简单不昂贵。

🐇信道划分协议

TDM(时分多路复用)

TDM把时间划分为时间帧，并进一步把时间帧划分为N个时隙(slot)，然后把每个时隙分给N个节点中的一个。
无论何时某个节点在有分组想要发送的时候，他在循环的TDM帧中指派给它的时隙内传输分组比特。时隙长度一般应是一个时隙内能传输一个分组。
TDM的缺点
- 最高速率只能达到R/N bps ，即使只有一个人使用信道。
- 节点总是总是要等待它的时隙，可能会对缓存等造成压力。
但TDM消除了碰撞且十分公平。

FDM(频分多路复用)

FDM将Rbps的信道划分为不同的频段(每个频段具有R/N带宽)，并把每个频段分给N个结点中的一个。因此FDM在N个较大的信道中创建了N个较小的R/N信道。
FDM的优缺点和TDM相同，它避免了碰撞，在N个节点之间公平地划分了带宽。但也限制节点只能使用R/N的带宽，即使当它是唯一一个有分组要发送的节点时。

码分多址CDMA

TDM和FDM分别为节点分配时隙和频率，CDMA对每个节点分配不同的编码。
每个节点用其唯一编码对发送数据进行编码，使不同节点能同时传输，接收方仍能正确接收。
CDMA抗干扰，军用系统，民用蜂窝电话。

🐇随机接入协议

在随机接入协议中，传输节点总是以信道全部速率R bps进行发送。
有碰撞时，涉及碰撞的每个节点反复重发它的帧（等待一个随机时延），直到该帧无碰撞的通过。

1.时隙ALOHA

当节点有新帧发送时，等到下一个时隙开始并在该时隙传输整个帧（设一个时隙传一个帧）。
如果没有碰撞，该节点成功地传输它的帧，从而不需要考虑重传该帧。
如果有碰撞，该节点在时隙结束之前检测到这次碰撞。该节点以概率p在后续的每个时隙重传它的帧，直到该帧被无碰撞地传输出去。

时隙ALOHA的确需要在节点中对时隙同步。
刚好有一个节点传输的时隙称为一个成功时隙。时隙多路访问协议的效率定义为：当有大量的活跃节点且每个节点总有大量的帧要发送时，长期运行中成功时隙的份额。
效率：当活跃结点数量趋向无穷大时，最大效率1/e，即37%。一个给定的结点成功传送的概率是 $p(1-p)^{n-1}$ ，因为有N个结点，任意一个结点成功传送的概率是N $p(1-p)^{n-1}$ 。

2.（纯）ALOHA

碰撞时，立即以概率p重传该帧，否则等待一个帧传输时间，
效率：仅为时隙ALOHA的一半： $\frac{1}{2e}$ .一个给定结点成功传输一次的该概率是 $p(1-p)^{2(N-1)}$

3.载波侦听多路访问CSMA

在时隙和纯ALOHA中，一个节点传输的决定独立于其他节点，不关心自己传输时别人是不是在传输。
举例：有礼貌的人类谈话有两个重要规则：
- 说话之前先听。如果在说话，等他们说完话再说，网络中称为载波侦听 ，节点等待直到一小段时间没有传输，然后开始传输。
- 如果与他人同时开始说话，停止说话。称为碰撞检测，当一个传输节点在传输时一直侦听此信道，如果检测到另一个节点正在传输，它就停止，等待一段随机事件，重复『侦听=当空闲时传输』动作。
这两个规则包含在CSMA和具有碰撞检测的CSMA/CD协议族中。
所有结点都载波侦听了，为何当初会发生碰撞？ B的比特沿着广播媒体传播所实际需要的时间不是0（即使2*10^8），在还没到D时，尽管B正在发，但D侦听的信道空闲，D就开始传输，于是发生了碰撞。
广播信道端到端信道传播时延决定了性能，时延越大，不能侦听到已传输结点的可能就越大，碰撞越多，性能越差。

4.具有碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD⭐️

与广播信道相连的适配器：

适配器从网络层一条获得一条数据报，准备链路层帧，并将其放入帧适配器缓存中。
如果适配器侦听到信道空闲，开始传输帧；如果侦听到信道在忙，等待，直到空闲。
传输过程中，适配器监视来自其他使用该广播信道的适配器的信号能量的存在。
如果适配器传输整个帧而未检测到其他信号，该适配器完成了该帧，否则停止传输帧。
中止传输后，适配器等待一个随机时间量，继续侦听（步骤2）。

选择随机回退时间间隔太大，信道会空闲，太小会再次碰撞。
当碰撞节点数量较少时时间应该间隔较短，否则较长。
二进制指数后退算法解决这个问题帧经历一连串n次碰撞，结点随机从{0，1，2，…，2^n-1}选择一个K值一个帧经历碰撞越多，K选择的间隔越大。该算法称为二进制指数倒退。
以太网中，一个节点等待的实际时间量是K*512bit的时间。
效率：信道在大多数时间都会有效地工作， $\frac{1}{1+5d_{prop}/d_{trans}}$